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Automatique H. Garnier 1 Hugues GARNIER hugues.garnier@univ-lorraine.fr Version

Automatique H. Garnier 1 Hugues GARNIER hugues.garnier@univ-lorraine.fr Version du 3 septembre 2018 Automatique ------ Modélisation, analyse et commande des systèmes continus Automatique H. Garnier 2 Volumes horaires • Automatique (Régulation – Asservissement) – 6 séances de cours (de 2h) 12h00 – 11 séances de TD (de 2h) 22h00 Intervenant en cours – H. Garnier Intervenants en séances de TD – F. Collin (2 Gr) H. Garnier (2 Gr) Automatique H. Garnier 3 Contrôle des connaissances • Contrôle partiel (1h00) – 5 octobre 2018 • Contrôle final (2h00) – 25 octobre 2018 • Devoirs à la Maison (DM) – A faire en binôme « J'entends, j'oublie. Je vois, je me souviens. Je fais, je comprends. » Confucius • Calcul de la note finale Note Auto = 0,3 Partiel +0,5 Final + 0,2 DM Automatique H. Garnier 4 Objectifs de l’EC pour l’ingénieur & Prérequis Objectifs – Comprendre la problématique de la commande automatique – Donner des outils et méthodes pour : • analyser les systèmes dynamiques linéaires continu • Synthétiser/concevoir des correcteurs Prérequis – Signaux & Systèmes – Transformée de Laplace – Résolution d’équations différentielles ordinaires Automatique H. Garnier 5 Ouvrages de référence & sites web • Site web pour le cours http://w3.cran.univ-lorraine.fr/hugues.garnier/?q=content/teaching – Transparents & énoncés de TD • Références conseillées – K.J. Aström and R. Murray, Feedback Systems. An Introduction for Scientists and Engineers, Princeton Univeristy Press, 2009 http://www.cds.caltech.edu/~murray/books/AM05/pdf/am08- complete_22Feb09.pdf – Education channel de Brian Douglas https://www.youtube.com/watch? v=oBc_BHxw78s&list=PLUMWjy5jgHK1NC52DXXrriwihVrYZKqjk Automatique H. Garnier 6 D’autres bonnes références pour approfondir le cours • J-M. Flaus. La régulation industrielle, Hermès 1994 • P. de Larminat . Automatique. Commande des systèmes linéaires, Hermès 1999 • H. Bourlès. Systèmes linéaires. De la modélisation à la commande, Lavoisier 2006 • G. Boujat, P. Anaya. Automatique industrielle, Dunod, 2007 • O. Le Gallo. Automatique des systèmes mécaniques, Dunod, 2009 • P. Prouvost. Automatique : contrôle et régulation, Dunod, 2010 • Y. Granjon. Automatique, Dunod, 2010 • G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeni. Feedback Control of Dynamic Systems. Prentice Hall, 2009 • N.S. Nise. Control Systems Engineering, 6th Ed., John Wiley, 2010 • K. Ogata, Modern Control Engineering, 5th Ed., Prentice Hall, 2010 • W. Levine, The Control Handbook, 2th Ed. CRC Press, Vol. 1, 2010 • R. Dorf, R. Bishop, Modern Control Systems, 12th Ed., Prentice Hall, 2011 • G. Goodwin, M. Salgado, S. Graebe, Control System Design, Pearson Education, 2015 Automatique H. Garnier 7 Quelques moments forts de l’histoire de l’Automatique • Les mécanismes de régulation sont à la base du fonctionnement des systèmes créés et utilisés par l'homme • Avec la révolution industrielle et le régulateur de Watt sont apparues les premières formalisations modernes : modélisation (avec les équations différentielles inventées par Newton) et stabilité • Les travaux du mathématicien et astronome anglais G. Airy sont le point de départ de la théorie des systèmes. Il fut le 1er à tenter une analyse du régulateur de Watt • 1868 : le physicien écossais J. Maxwell publie une première analyse mathématique convaincante et explique certains comportements erratiques observés parmi les nombreux régulateurs en service. Ses travaux furent le point de départ de nombreux autres • Suivent les travaux sur la stabilité de H. Poincaré et A. Lyapounov • Caractérisation de la stabilité établie indépendamment par les mathématiciens A. Hurwitz et E. Routh • Années 1930, les recherches aux Bell Telephone Laboratories sur les amplicateurs sont à l'origine de travaux encore enseignées aujourd'hui, notamment les diagrammes de Nyquist et de Bode caractérisant à partir de la réponse fréquentielle des systèmes Automatique H. Garnier 8 Définition - Automatique • Automatique (control) – ensemble des sciences et des techniques pour l’étude des systèmes fonctionnant sans intervention humaine – cherche à concevoir des commandes (automatiques) permettant de modifier le comportement des systèmes Automatique H. Garnier 9 Automatique • Permet de faire des actions « impossibles » pour l’homme • Discipline qualifiée souvent de « cachée » ou « d’enfouie » • S’appuie sur beaucoup de maths sympas ! • Est au cœur de tout ! Automatique H. Garnier 10 Automatique ou Automatisme ? • Leurs variables peuvent prendre uniquement deux états : marche/arrêt – variables d’un distributeur à café : présentation d’un gobelet, apport de poudre, de sucre, écoulement de l’eau pendant une durée fixe • On parle d’automatismes qui permettent d’effectuer une séquence d’actions pré-établies fondées sur des fonctions logiques combinatoires ou séquentielles • Ces séquences d’actions sont représentées par Grafcet ou Réseaux de Pétri et sont programmées à l’aide de langage de haut niveau dans des automates programmables et sans intervention humaine – Feux de croisement, chaîne d’assemblage, radar automatique, … • Il faut distinguer deux domaines d’intervention de l’Automatique : – Automatique pour les systèmes à événements discrets (SED) Automatique H. Garnier 11 • Il faut distinguer deux domaines d’intervention de l’Automatique : – Automatique pour les systèmes à événements discrets=Automatisme • Leurs variables ne peuvent prendre que deux états : marche/arrêt – Automatique pour les systèmes continus • Leurs variables peuvent prendre des valeurs réelles quelconques – Température, débit, vitesse … • Leur commande a pour but de réguler ou d’asservir des grandeurs physiques de façon précise et sans intervention humaine Dans ce cours, nous ne nous intéresserons qu’à l’Automatique des systèmes continus Automatique ou Automatisme ? Automatique H. Garnier 12 L’Automatique est… ... omniprésente dans notre quotidien ! • Exemples – Régulation de température • de l’eau de la douche – Régulateur de vitesse d’une voiture – Régulations naturelles assurées par le corps humain : • température, glycémie, pression artérielle, fréquence cardiaque, oxygénation sanguine pendant l’effort physique,… Automatique H. Garnier 13 L’Automatique dans le secteur aérospatial Y-a-t-il (encore) des astronautes aux commandes ? www.youtube.com/watch?v=oa_mtakPlfw Lanceur Ariane 5 - Décollage SpaceX Falcon 9 - Atterrissage Automatique H. Garnier 14 L’Automatique dans le secteur aérospatial Satellite de télécommunications Curiosity sur Mars - août 2012 Automatique H. Garnier 15 L’Automatique dans le secteur aéronautique • Airbus A380 – Le plus gros avion du monde – « Monstre » de 420 tonnes Y-a-t-il (encore) un pilote dans l’avion ? Automatique H. Garnier 16 L’Automatique dans le secteur de la robotique Des drones à tout faire ? raffaello.name/projects/flight-assembled-architecture/ www.youtube.com/watch?v=NRL_1ozDQCA Automatique H. Garnier 17 L’Automatique dans le secteur de la robotique Cyborgs & robots dans le sport Le Cybathlon, la première compétition d’athlètes bioniques www.youtube.com/watch?v=Rx9I_hYqQcM Le robot Evolta veut finir l’Ironman d’Hawai youtu.be/jic-tAgHqRE Automatique H. Garnier 18 L’Automatique dans le secteur automobile • Derrière chaque acronyme se cache un peu d’automatique • ABS : Anti-lock Braking System • ESC : Electronic Stability Control • ACE : Active Cornering Enhancement • TCS : Traction Control System • ACC : Adaptive Cruise Control • ANC : Active Noise Control – Ils permettent une conduite plus sûre et plus économe Automatique H. Garnier 19 L’Automatique dans le secteur automobile • Devrait permettre, dans un futur proche : – de concevoir des véhicules autonomes sans conducteur – circulant en flotte Automatique H. Garnier 20 L’Automatique dans le secteur de l’énergie Automatique H. Garnier 21 L’Automatique dans le secteur de l’industrie Automatique H. Garnier 22 L’Automatique dans le secteur de l’agriculture Système automatique d’irrigation des cultures Commande manuelle des vannes Commande automatique Automatique H. Garnier 23 L’Automatique dans le secteur de la santé • Compense les défaillances de certains organes du corps humain Pacemaker aide le coeur Le pancréas artificiel http://www.youtube.com/watch?v=XUyteJvtMuY Automatique H. Garnier 24 L’Automatique est au cœur de tout • Transports : automobile, aéronautique, aérospatiale, navale et ferroviaire • Industries chimique, pharmaceutique, sidérurgique, papetière, agroalimentaire • Robotique, mécanique • Systèmes de télécommunications • Énergies hydraulique, éolienne, solaire, nucléaire • Agriculture • Santé (biologie et médecine) • Economie et Finance,… T. Samad, A.M. Annaswamy (Eds.). The Impact of Control Technology, Overview, Success Stories, and Research Challenges, 2011. www.ieeecss.org Visionner la vidéo de Brian Douglas : Why learn control theory Automatique H. Garnier 25 Principe fondamental de l’Automatique • La finalité de l’Automatique est de remplacer l’homme ou de suppléer à ses limites pour la commande d’un système Automatique H. Garnier 26 Principe fondamental de l’Automatique : la boucle fermée ou rétro-action • Le principe de base consiste à mesurer le signal de sortie pour ajuster le signal de commande : rétro-action (feedback) – La commande en boucle fermée reproduit donc le comportement humain normal Observation è réflexion è action Boucle de rétro-action Automatique H. Garnier 27 Les trois éléments fondamentaux d’une commande (automatique) en boucle fermée ① Capteur ② Régulateur ③ Actionneur www.youtube.com/watch?v=XJLMW6l303g Automatique H. Garnier 28 1. On définit la vitesse désirée (objectifs) – On veut rouler à 110 km/h 2. On mesure la vitesse à l’aide d’un capteur – On roule à 100km/h (par exemple) 3. Le régulateur détermine l’action à effectuer 4. La nouvelle commande est appliquée via l’actionneur Exemple : régulateur de vitesse d’une voiture vitesse Commande actionneur+système régulateur capteur Automatique H. Garnier 29 Concrètement, c’est quoi un régulateur de vitesse ? • C’est un programme exécuté par l’ordinateur de bord, qui d’après la vitesse désirée et mesurée, détermine la commande à envoyer au moteur Automatique H. Garnier uploads/Management/ a-auto-introduction-pdf.pdf